Di John Brennan
Aggiornato il 30 agosto 2022
Le reazioni chimiche si verificano quando due o più sostanze si scontrano e si riorganizzano per formare nuovi composti. Questi processi non solo sono onnipresenti in natura, ma sono anche alla base di ogni sistema vivente:la NASA definisce addirittura la vita come un sistema chimico autosufficiente capace di un’evoluzione darwiniana. Comprendere le forze che determinano se una reazione si verificherà, e quanto velocemente, richiede uno sguardo a tre concetti fondamentali:collisioni, entropia ed equilibrio.
Perché una trasformazione chimica abbia inizio, le molecole devono incontrarsi con l'orientamento corretto e avere energia cinetica sufficiente per rompere i legami esistenti. Non tutti gli incontri portano a una reazione; i reagenti devono essere in grado di ricombinarsi in prodotti più stabili. Ad esempio, gli atomi di elio sono chimicamente inerti perché il loro guscio elettronico esterno è completo, quindi raramente formano nuovi legami con altri gas. Al contrario, quando gli atomi possiedono elettroni spaiati o gusci incompleti, possono condividere o trasferire elettroni, consentendo la formazione di legami e rilasciando energia.
La termodinamica ci permette di prevedere se una reazione sarà favorevole:se l'energia totale del nuovo composto è inferiore a quella dei singoli reagenti, la molecola risultante è stabile e la reazione è energeticamente in discesa.
L’entropia misura il grado di casualità o disordine in un sistema. La Seconda Legge della Termodinamica afferma che l’entropia di un sistema chiuso non può mai diminuire. Una reazione che aumenta l'entropia combinata del sistema e dell'ambiente circostante è spontanea. Quando una reazione non è spontanea, come nel caso della biosintesi delle proteine, gli organismi la accoppiano a un processo di generazione di energia come il metabolismo del glucosio, che rilascia una grande quantità di entropia e fa avanzare il processo complessivo.
Poiché l’entropia totale è difficile da quantificare direttamente, i chimici utilizzano l’energia libera di Gibbs (ΔG) per valutare la spontaneità. La formula ΔG =ΔH – TΔS confronta la variazione di entalpia (ΔH) con la temperatura (T) moltiplicata per la variazione di entropia (ΔS). Un ΔG negativo indica che una reazione può avvenire spontaneamente nelle condizioni date.
Anche una reazione spontanea può essere lenta; la conversione degli atomi di carbonio nel diamante, ad esempio, è chimicamente favorevole ma procede su scale temporali geologiche. Inoltre, molte reazioni raggiungono un equilibrio dinamico in cui le velocità dirette e inverse si bilanciano, senza lasciare alcun cambiamento netto nelle concentrazioni di reagenti o prodotti. Il fatto che una reazione proceda fino al completamento, si blocchi o si inverta dipende dalle barriere cinetiche, dalla favorenza termodinamica e dalle condizioni specifiche presenti.
Esaminando insieme collisioni, entropia ed equilibrio, gli scienziati possono prevedere non solo se una reazione avrà luogo, ma anche quanto velocemente avverrà e in quali circostanze produrrà un particolare prodotto.
